Planetarisk stetoskop kunne afgøre, hvad der ligger i Europas globale hav

Jupiters måne Europa er bestemt et mærkeligt sted. Opdaget i 1610 af Galileo Galilei, det blev først set i detaljer først i slutningen af ​​1970'erne, efter at rumfartøjet besøgte det jovianske system.

Lidt mindre end vores egen måne, Europa kunne næsten ikke fremstå mere anderledes. Begge har interiør af rock og metal. Men Europa er pakket ind i et globalt saltvandshav og dækket af en lys skal af is. Skallen er arret med revner og forkastninger og plettede steder, hvor isen er blevet gennembrudt af væske nedefra.

Forskere har i årtier spekuleret i, hvad der ligger i det hav. Det er større i volumen end alle jordens oceaner tilsammen.

Et NASA-finansieret seismometer under udvikling ved Arizona State University har løftet om at lande på Europas isskal – og lytte til det.

Seismometeret ville bruge Europas naturlige tidevand og andre bevægelser til at opdage skallens tykkelse, se, om den rummer lommer af vand - underjordiske søer - inde i isen, og bestemme hvor let, og hvor ofte, havvand kan stige og vælte ud på overfladen.

"Vi vil gerne høre, hvad Europa har at fortælle os, " sagde Hongyu Yu, fra ASU's School of Earth and Space Exploration. "Og det betyder at lægge et følsomt 'øre' på Europas overflade."

Udforskningssystemingeniør Yu står i spidsen for et team af ASU-forskere, der inkluderer seismolog Edward Garnero, geofysiker Alyssa Rhoden, og kemiingeniør Lenore Dai, direktør for School for Engineering of Matter, Transport og energi i Ira A. Fulton Schools of Engineering.

Teknologiinvestering

Selvom der ikke er nogen aktuelle planer om at sende en lander til Europa, holdet har modtaget et tilskud fra NASA til at udvikle og teste et miniature-seismometer, der ikke er større end omkring 4 tommer (10 centimeter) på en side, hvilket kan være afgørende for at fremme fremtidens Europa-udforskning. passende, i betragtning af hvor det bliver skabt, projektet har titlen Seismometre for Exploring the Subsurface of Europa, eller SESE.

De fleste seismometre, hvad enten det er til brug på Jorden eller andre planeter, stole på et masse-og-fjeder-sensorkoncept til at detektere passerende jordskælvsbølger. Men den type seismometer, siger Yu, skal sættes ned i oprejst stilling, den skal sættes forsigtigt på plads uden større stød eller rystelser, og kammeret, hvor sensoren fungerer, har brug for et komplet vakuum for at sikre nøjagtige målinger.

"Vores design undgår alle disse problemer, " Yu forklarer. SESE seismometeret bruger et mikro-elektromekanisk system med en flydende elektrolyt som sensor. "Dette design har en høj følsomhed over for en lang række vibrationer, og den kan fungere i enhver vinkel til overfladen.

"Og om nødvendigt, " tilføjer han, "de kan ramme jorden hårdt ved landing." Yu bemærker, at holdet testede prototypen ved at slå den med en forhammer. Den overlevede.

Udover at være ekstremt robust, SESE-seismometeret lover også at skubbe det nyeste inden for sensorer frem. "Vi er glade for muligheden for at udvikle elektrolytter og polymerer ud over deres traditionelle temperaturgrænser, " siger teammedlem Dai. "Dette projekt er også et eksempel på samarbejde på tværs af discipliner."

Fast touchdown nødvendig

Evnen til at modstå en hård landing er en stor hjælp, siger teammedlem Garnero. "Seismometre skal forbindes med den faste jord for at fungere mest effektivt." At sidde på løse overfladematerialer kan isolere instrumentet fra seismiske bølger, der passerer gennem månens eller planetens krop – eller, på Europa, dens isskal.

Landers, som ville bære seismometre, "har typisk fire eller seks ben, " sagde Garnero. "Hvis hvert ben bærer et seismometer, disse kunne skubbes ind i overfladen ved landing, god kontakt med jorden."

Ud over, han sagde, at have et antal sensorer på en lander giver forskerne mulighed for at kombinere de data, der er registreret ved hver. Dette lader dem overvinde de variable seismiske vibrationer, der registreres af hvert instrument, og det giver forskerne mulighed for at fortælle, hvilken retning jordskælvsbølgerne kommer fra.

"Vi kan også sortere højfrekvente signaler fra længere bølgelængder, " forklarede Garnero. Jo bredere spektrum instrumentet kan fornemme, jo flere fænomener vil den opdage. "For eksempel, små meteoritter, der rammer overfladen ikke for langt væk, vil producere højfrekvente bølger, og tidevandet af gravitationsslæbebåde fra Jupiter og Europas nabomåner ville gøre lange, langsomme bølger."

Så hvordan ville Europa lyde?

Garnero laughed. "I think we'll hear things that we won't know what they are."

Men, han sagde, "ice being deformed on a local scale would be high in frequency—we'd hear sharp pops and cracks. From ice shell movements on a more planetary scale, I would expect creaks and groans."

Ocean world

Europa can be glimpsed in binoculars from the backyard as it circles Jupiter once every 85 hours. But it's just a point of light, looking no different from what Galileo saw when he discovered it.

The Europa that scientists study today, imidlertid, is more properly considered an ocean world. This is because of two flyby spacecraft (NASA's Voyager 1 and 2) and an orbiter (NASA's Galileo) that spent eight years at Jupiter. Long-distance observations of Europa also have come from the Hubble Space Telescope orbiting Earth, which detected plumes of water vapor erupting from the shell in 2012 and 2016.

"At Europa, we're trying to use seismometers to determine where the liquid water lies within the ice shell, " team member Rhoden said. "We want to know how active the ice shell is."

The answers to these questions are important to the future exploration of this moon and its habitability, hun sagde. "An active shell with pockets of water creates more niches for life and more ways to transport nutrients from the ocean to the surface."

Locating these pockets on Europa would allow future lander missions to possibly sample ocean water brought up through the ice shell.

Just how active is Europa?

"Vi ved det ikke, " Rhoden said. The surface is geologically young, with an approximate age (based on numbers of craters) of 50 to 100 million years. "It may have undergone an epoch of activity early in that period and then shut down." But it's equally possible, hun siger, that the shell is experiencing fractures, uplifts, offsets, and melt-throughs today.

"Hubble's recent plume observations last fall appear to support that."

As Europa orbits Jupiter, it gets repeated tugs from the gravity of neighbor moons Io and Ganymede. These tugs keep Europa's orbit from becoming circular and that lets Jupiter stress the shell—and then let it relax—over and over, endlessly. Thus, Rhoden said, seismometers on the surface should detect any ongoing activity in the shell.

The team developing the SESE seismometer has its sights on Europa, but they are also looking beyond, because the design is robust and adaptable. This could let it become something of a universal instrument for seismology on other worlds.

As team leader Yu explains, "With modification to fit local environments, this instrument should work on Venus and Mars, and likely other planets and moons, too."